【科研进展】美国莱斯大学发现沥青转化石墨烯的合成工艺

美国莱斯大学的材料科学和纳米工程助理研究教授与他的合作者，通过独特的闪光焦耳加热法（FJH）工艺，将富含碳元素的沥青废料转化为有用且高价值的石墨烯。

论文提到，石油原油在精炼过程会产生大量的沥青质，目前估计全球大约有1至2万亿桶。但沥青在处理和生产过程中会带来复杂的问题，一般都被当作燃料再利用，或被丢弃到尾矿池（矿渣堆）、垃圾掩埋场和变成柏油路，但丢弃和燃烧处理不当容易造成环境破坏。

研究人员用闪光焦耳加热法（FJH），将低价值的沥青转化为高价值的衍生品—闪光石墨烯（AFG）。这种方法能够在1秒左右生产出闪光石墨烯（几层石墨烯叠加），减少了许多能量和二氧化碳的消耗。

闪光焦耳加热法（FJH）是在两个铜电极之间的石英管内，依次使用185V、250V、250V和370V电压、频率为1000Hz的可变脉冲对沥青质进行电击，产生出近3000度的极高温，让沥青质转变成AFG。

为了测试其机械性质，研究人员将环氧树脂和1 wt%（重量百分浓度）、3 wt%、5 wt%的AFG进行混合，并与纯AFG进行拉伸强度、杨氏模量和韧性的机械性能进行比较。结果显示，环氧树脂和1%的AFG混合表现出来的机械性最为良好，因为拉伸强度增加了37%，杨氏模量增加了12%，韧性增加了75%。

另外，他们为了观察环氧树脂-AFG纳米复合材料的热性质，用白光射进纯环氧树脂和环氧树脂-AFG奈米复合材料，并用热红外（IR）相机观测材料温度上升情况。

结果显示，纯环氧树脂的感应热集中在较小的区域，且温度上升比较多，但环氧树脂-AFG纳米复合材料热感应比较分散，温度也上升比较小。他们还发现，AFG含量越高温度上升越少，这也证明环氧树脂-AFG纳米复合材料热传导，比纯环氧树脂来得更好。

研究人员还将环氧树脂-AFG做耐腐蚀测试，他们将其包裹在低碳钢（MS）上作为腐蚀保护层，发现环氧树脂-AFG中AFG含量10 wt%比纯环氧树脂和其它wt%的纳米复合材料保护效果更好。

最后，他们使用环氧树脂-AFG奈米复合材料去做3D打印，打印出来的成品放置室温48小时，且将物体持续加热1小时至130°C都不变形，试验结果相当成功。

试验证明，与一般的纯环氧树脂聚合物相比，环氧树脂-AFG纳米复合材料具有优异的机械、热传导和耐腐蚀性，且能作为3D打印材料。

研究人员将石墨烯混合到复合材料中，然后混合到用于3D打印机的聚合物墨水中。他对莱斯大学新闻室表示，“我们已经优化了其3D打印墨水，证明它是可打印的。”

另外，在沥青质使用FJH工艺生产AFG的过程中，产生的污染较少，且生产出的高价值同素异形体石墨烯可应用到工业上。

研究人员表示，“沥青质目前是石油行业的一大难题，我认为石油行业会对此很感兴趣，因为这是一种可持续的方法，可以减少燃烧沥青质产生的碳排放。”

另外，该实验报告的化学家团队认为，闪光焦耳加热法对沥青质的处理方法与对其它原料（包括塑料、电子垃圾、轮胎、煤粉煤灰、汽车零件）处理起来一样有效，研究人员下一步将用这些石墨烯制造更多东西。

文章来源：复材指闻、中塑在线

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